一种飞行器有效载荷接口扩展装置方案设计

,, ,

(中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076)

0 引言

飞行器携带有效载荷执行在轨任务，需为有效载荷提供必要的接口资源，目前有效载荷类型多种多样，例如天基对抗武器[1-2]、空间操控装置[3-4]、遥感相机[5]、激光武器[6]等，每种有效载荷所需的接口资源各不相同，但飞行器能提供的接口资源有限，所以如何使飞行器利用有限的接口资源适应多种类型的有效载荷成为亟待解决的问题。

针对上述问题，一种飞行器有效载荷接口扩展装置应运而生，利用飞行器有限的接口资源支持4种不同有效载荷正常工作。有效载荷接口扩展装置提供总线指令、数据通信、供配电等接口，根据不同有效载荷在轨分时工作的时序特性，充分利用飞行器接口资源，保证每种有效载荷顺利执行在轨任务，既增强了飞行器的技战术能力，又丰富了飞行器的作战手段。

1 组成及工作原理

有效载荷接口扩展装置属于舱内单机设备，采用模块化设计方案，由综合电源单元A、综合电源单元B、综合管理单元A、综合管理单元B、综合接口单元、电源扩展单元6个功能单元构成。有效载荷接口扩展装置内共设置三个内转接，分别定义为内总线1、内总线2和内总线3。6个功能单元通过3条内总线转接相连，各功能单元与内总线挂载情况见图1所示。

图1 各功能单元与内总线挂载情况

所有功能单元都与内总线1连接，综合电源单元A、综合电源单元B、综合管理单元A、综合管理单元B和综合接口单元连接内总线2，综合电源单元A、综合电源单元B和综合接口单元连接内总线3。

内部关系及信息流设计如图2所示。

图2 内部关系及信息流设计示意图

有效载荷接口扩展装置主要实现对飞行器综合电子系统提供的一次电源进行隔离变换和路数扩展，以及为有效载荷提供LVDS、SpaceWire和RS422等数据传输接口，并将接收到的有效载荷数据通过与飞行器之间的1553B总线或LVDS接口转发给飞行器综合电子系统或GNC系统。

有效载荷接口扩展装置对外接插件共有22个，各接插件型号、功能、所属功能单元如表1所示。

表1 有效载荷接口扩展装置对外接插件汇总

续表

代号型号功能定义所属单元X17J6W-37C01JNMB扩展控制电输入X18J6W-78D02JNMB扩展功率电输入X19J599/26GC98SN扩展火工品电输入X20J6W-37C01JNMB扩展控制电输出X21J6W-78D02JNMB扩展功率电输出X22J599/26GC98SN扩展火工品电输出电源扩展单元

2 方案设计

2.1 综合电源单元方案设计

综合电源单元主要完成对飞行器提供的28 V一次电源进行DC/DC隔离变换。飞行器给有效载荷接口扩展装置提供2路+28 V供电，同时有效载荷接口扩展装置自身也进行供电备份设计，采取两块完全一致的电源模块进行冷备份设计，分别命名为综合电源单元A、综合电源单元B，其组成框图如图2所示。

图2 综合电源单元组成框图

电源设计中，电源输入滤波器(EMI)采用INTERPOINT公司的FMCE2803，电源变换器(DC/DC) 采用INTERPOINT公司的MTR2805SF。MTR2805SF提供+5 V变换输出，DC/DC 电源变换器及电源输入滤波器均为883级产品。

由于一次电源供电接口采取不可恢复的短路保护措施，一旦负载短路，需要在短时间内切断负载保护一次电源，所以保险丝组采取双熔断器母线短路保护电路设计，两级继电器并联，两组保险丝并联，可有效避免各种失效模式给飞行器电源系统带来危害，其示意图如图3所示。电路选用两只熔断器(F1及F2)具有相同的额定电流值，在F2支路中串联限流电阻R，限流电阻的阻值大于熔断器直流阻值10倍以上，从而使F2支路具有较大的抗电冲击能力。

图3 双熔断器母线短路保护电路示意图

熔断器F1和F2选用上海松山电子RSG-I-FFA-10A(5A)，限流电阻选用上海松山电子RX81-1W-0.51Ω，两路双冗余供电情况下，如果一路短路会导致该路的熔断器烧断，不会影响另一路的正常工作。

另外，遥控开关机继电器组电路采取两级继电器并联设计，其电路如图4所示。

图4 遥控开关机继电器组电路图

一次电源输入采用两个磁保持继电器1K1、1K2并联控制，互为备份提高可靠性，继电器控制电路采用了传统卫星上的成熟电路形式。

2.2 综合管理单元方案设计

综合管理单元主要完成有效载荷接口扩展装置与飞行器综合电子系统和GNC系统的1553B总线通信，实现飞行器1553B总线指令的解析和总线数据的分类处理。有效载荷接口扩展装置包含2个综合管理单元，分别为综合管理单元A、综合管理单元B，2个综合管理单元硬件上完全一致，其原理框图如图5所示。

图5 综合管理单元原理框图

综合管理单元由基于CPU和FPGA的内嵌式软件配合完成有效载荷数据的控制和管理。综合管理单元A和综合管理单元B各提供1路1553B接口，解析飞行器综合电子系统发送的指令，并将FPGA处理的有效载荷数据通过1553B总线再回传给飞行器，其中PROM用于存储单片机程序，RAM用于缓存变量和参数。

综合管理单元中的设备微处理器选用CPU芯片BSC80C32ERH为设备核心控制芯片，主要控制1553B芯片完成对飞行器综合电子系统的总线数据收发处理以及任务计划的执行和管理。FPGA芯片选用反熔丝工艺A54SX72A系列芯片，主要和外围电路共同完成与有效载荷的通信，将有效载荷的数据信息通过1553B总线上报给飞行器。

有效载荷接口扩展装置与飞行器的1553B接口芯片采用B65170S6RH，A总线接插件为SK621-0440-4P，B总线接插件为SK621-0440-4S。接口遵循MIL-STD-1553B标准串行数据总线接口标准。

2.3 综合接口单元方案设计

综合接口单元主要面向有效载荷提供LVDS、SpaceWire[7-8]、RS422等数据传输接口，采集有效载荷遥测信息，并提供与飞行器之间的1553B接口，接收飞行器的总线指令，以及与飞行器之间的LVDS接口，将有效载荷遥测信息发送给飞行器。

综合接口单元的原理框图如图6所示。

图6 综合接口单元原理框图

综合接口单元提供一路与飞行器综合电子系统的1553B接口，综合接口单元将接收到的1553B总线数据经过电平转换后，通过内总线2送给综合管理单元A，该路1553B总线接口芯片的控制由综合管理单元A完成。同时综合接口单元提供另外一路与飞行器GNC系统的1553B接口，综合接口单元将接收到的1553B总线数据经过电平转换后，通过内总线2送给综合管理单元B，该路1553B总线接口芯片的控制由综合管理单元B完成。

综合接口单元提供四路双向RS422通信接口给有效载荷。一方面通过RS422接口将飞行器的控制指令发送给有效载荷；另一方面有效载荷数据通过RS422接口发送给综合接口单元后，首先由综合接口单元内部的FPGA判断其中哪一路信号有效，并将有效的RS422信号转换后，经过内总线1送给综合管理单元A或综合管理单元B，最后经过电平转换，利用与飞行器的1553B通道发送给飞行器综合电子系统或GNC系统，两路1553B通道的选择由综合管理单元解析飞行器发送的1553B指令来确定。

综合接口单元提供四路LVDS接口接收有效载荷数据，提供两路LVDS接口给飞行器发送有效载荷数据。有效载荷数据通过LVDS接口发送给综合接口单元后，首先由综合接口单元内部的FPGA判断其中哪一路信号有效，并将有效信号通过与飞行器的LVDS通道发送给飞行器综合电子系统，与飞行器的两路LVDS通道的选择由综合管理单元解析飞行器发送的1553B指令来确定。

综合接口单元提供四路SpaceWire接口接收有效载荷数据。有效载荷数据通过SpaceWire接口发送给综合接口单元后，首先由综合接口单元内部的FPGA判断其中哪一路信号有效，并将有效信号通过与飞行器的LVDS通道发送给飞行器综合电子系统。

2.4 电源扩展单元方案设计

电源扩展单元主要完成对飞行器综合电子系统提供的可控配电路数进行扩展，满足多路有效载荷供配电的需求，其原理示意图如图7所示。

图7 开关切换电路原理示意图

目前控制电(28 V、5 A)由飞行器提供的3路扩展至9路，功率电(28 V、20 A)由飞行器提供的2路扩展至4路，火工品电(28 V、20 A、起爆时间80±10 ms)由飞行器提供的1路扩展至2路，各路供配电的开关切换由综合管理单元A或综合管理单元B解析飞行器综合电子系统或GNC系统发送的1553B总线指令进行切换控制。

扩展后的所有控制电、功率电、火工品电的各路之间是相互对立的，如果出现某一路短路故障，熔断器在短时间内迅速烧断，从而起到保护一次电源的作用，不会影响其它各路正常工作。

由于元器件老化等原因，可能存在继电器失效的情况，从而会导致后续设备不能上电或断电，电源扩展单元通过元器件严格筛选，并采取了Ⅰ级降额设计的应对措施，所以这种故障模式发生的概率很小。如果要进一步提高扩展后的每一路供配电支路的可靠性，可以在原有继电器的基础上，再并联一个继电器，但由于有效载荷扩展装置的体积、重量限制，此次未进行继电器并联设计。

3 结构设计

有效载荷接口扩展装置的外型示意图如图8所示，结构壳体材料为硬铝2A12，设计上在保证结构刚度需求的前提下，选择适当的壳体厚度，尽量减轻设备重量，并采用模块化设计，遵循产品模块化设计结构接口规范，采用统一的安装接口、安装技术要求、通用底板尺寸，其中模块结构框架只对与其它模块结构有接口的特征进行统一尺寸约束，以及模块结构具有共性的特征进行统一尺寸约束。

图8 结构外形示意图

有效载荷接口扩展装置的各块印制板材料均为环氧酚醛层压玻璃布板3240，各块印制板根据功能划分，印制板间通过内转接插座进行信号连接，每块印制板分别固定于一个独立框架上，并与框架构成单一模块的紧凑结构，各模块上下子口对接，再加以盖板，利用穿钉将各模块固定，并连接构成统一的整体，拆卸维修方便灵活，可靠性高，且相同功能的模块结构统一，模块间互换性好，也可按功能需要调整模块数量和组合方式，便于产品系列化设计。

结构壳体和印制板的材料特性参数如表2所示。

表2

4 结论

有效载荷接口扩展装置是衔接飞行器与有效载荷的桥梁，其设计与应用实现了在飞行器有限的接口资源基础上，能够为4种有效载荷提供总线指令、数据通信、供配电等接口，确保有效载荷顺利执行在轨任务。目前能够支持机械臂、小卫星[9-10]、激光武器、侦查相机等有效载荷，并可根据有效载荷选型情况进行能力再扩展，达到了单个飞行器同时携带多种有效载荷的目的，间接降低了发射成本，并使飞行器战斗能力更加多样化，在飞行器有效载荷接口扩展领域具有较大的应用前景。